[发明专利]一种利用细菌发酵生产丙烯酸的方法

说明书

技术领域

本发明设计丙烯酸的工业发酵领域，具体地涉及一种利用埃氏巨球形菌Megasphaera elsdenii生产丙烯酸的方法。

背景技术

丙烯酸(CH₂＝CHCOOH)，高闪点酸性腐蚀可燃液体，有刺激性气味，是工业生产中重要的不饱和有机酸，也是重要的有机化工原料。它主要用于制备丙烯酸树脂及其它有机合成，另外也用于粘合剂、涂料、化纤、皮革、造纸、纺织工业和光敏树脂板等的生产。寻找一条用可再生资源生产丙烯酸的途径，成为世界各国国民经济健康发展过程中亟待解决的问题。

目前，丙烯酸及其酯的工业化生产方法以丙烯氧化法为主，乙炔羰化法和丙烯腈水解法并存的生产方法。微生物法报道较少。

(1)化学法合成丙烯酸

丙烯氧化法：丙烯氧化法分两种：一步法，丙烯直接与氧反应生成丙烯酸。而两步法则是先将丙烯先与氧反应生成丙烯醛，丙烯醛再与氧反应生成丙烯酸。工业上绝大多数用丙烯两步氧化法。第一步反应，反应温度：320～330℃，催化剂：在MoBiFe催化剂中添加其他助剂如Co、Ni、W、Tl、K、Na等元素，专利报道丙烯醛最高收率达90％，加上同时生成的丙烯酸，收率可达96％。丙烯氧化法是目前生产丙烯酸最经济的方法，且适合大规模生产。此法的生产能力占世界总生产能力的85％以上。

乙炔羰基化路线(Reppe法)：乙炔在羰基镍作用下同水或醇反应生成丙烯酸或丙烯酯，由于乙炔与Ni(CO)₄摩尔比是一个定量关系因而称为化学计量反应。由于化学计量法生成丙烯酸或酯的产率低，并要消耗大量的羰基镍，因而此法无多大经济价值。

丙烯腈水解法：反应温度：80～100℃，用过量的85％H₂SO₄处理，首先水解生成丙烯酰胺，进一步水解生成丙烯酸，也能同过量的醇反应生成酯。60年代实现工业化，最终收率低于丙烯直接氧化法。因此大规模生产难以同丙烯直接氧化法竞争。但此法工艺简单，条件温和，且有灵活性，可用于生产丙烯酰胺。因而丙烯腈水解法在小规模生产丙烯酸酯仍具有一定的吸引力。目前许多中小型厂仍采用此法生产丙烯酸酯。

(2)生物合成法

随着生物技术的发展，利用微生物发酵合成精细化工产品已有报道，而且利用微生物生产丙烯酰胺也已经开始工业化生产。这就为利用可再生资源来生产石油化工产品奠定了基础。目前，国内外微生物发酵产丙烯酸的报道较少，但在微生物代谢途径中，不断有游离态丙烯酸出现的报道。

1983年，Akedo用丁炔酸对催化丙烯酰辅酶A转变成丙酰辅酶A的酶进行阻断，细胞中丙烯酸的浓度略有提高，这说明，在丙烯酸代谢途径中，的确有分支代谢途径，但还有很多复杂的因素需要进一步研究，另外，阻断剂的选择也要进一步研究。另一条途径，即3-HP(3-羟基丙酸)途径。近年来，在生物合成丙烯酸领域，不断有糖无氧代谢转化为3-HP的报道，3-HP是微生物产丙烯酸的前体，Cargill公司也是基于此开始对3-HP生物合成丙烯酸进行研究，并由此开发出继聚乳酸后重要的有机中间体3-HP。还有一种途径即丙氨酸途径，即β-丙烯酰胺辅酶A也可能是微生物产丙烯酸的前体，但没有得到证实。1980年，Dalal在培养基中增加α-丙胺酸量，细胞中丙烯酸含量提高到2mM。比较上述丙烯酸代谢途径，微生物通过3-HP途径可直接从糖发酵合成丙烯酸，培养基的成分就可以降低且多样化，糖的理论转化率为80％。

微生物法生产丙烯酸的方法报道文献专利极少，国际上有一篇专利US2859240报道间接生产丙烯酸，先利用微生物产乳酸，再由乳酸化学催化生成丙烯酸。缺点是要求高温，并且丙烯酸产率也不高。另外，间接生产丙烯酸的方法只有一篇中国专利：200610043894，山东宝莫生物化工股份有限公司曾于2006年04月公开了由一种微生物法生产丙烯酸的方法，利用丙酸棒杆菌培养产生腈水合酶；利用腈水合酶作为催化剂，由丙烯腈水合反应生成低浓度丙烯酸铵溶液；低浓度的丙烯酸铵溶液经过降膜蒸发浓缩后再进行酸化脱铵反应制备粗丙烯酸。能耗较低、转化率高，但还是存在丙烯腈污染和产量低等缺点。

在添加电子受体的情况下，丙酸梭菌(Clostridium propionicum)发酵丙烯酸的量得到了较大程度的提高。电子受体的加入可以代替丙烯酸还原。本项目通过系统分析微生物在葡萄糖培养基上产丙烯酸的代谢途径，通过代谢调控的手段，分析细胞代谢通量，添加甲萘醌等电子受体直接发酵生产丙烯酸，降低生产成本，提高丙烯酸产量。